К нам в редакцию обратился российский инженер Александр Андреев. В своем письме он рассказал, как, по его мнению, можно сделать отправку грузов на орбиту дешевле, а космос доступнее; открыть дорогу в космическое пространство людям из разных социальных слоев. Инженер предлагает построить космический обруч. Рассказываем об этом проекте.
Одна из самых серьезных проблем колонизации Солнечной системы — непомерно высокая стоимость преодоления силы земного тяготения. Чтобы отправить груз в космос, необходима ракета, заправленная большим количеством топлива. В результате вывод на орбиту одного килограмма полезной нагрузки стоит десятки тысяч долларов. Доставка до Луны обойдется еще дороже.
Уже давно инженеры ищут альтернативный способ, который бы удешевил отправку грузов на орбиту. Одна из идей — построить космический лифт (Space Elevator). Суть этой идеи в следующем: сперва на геостационарную орбиту выводится массивный аппарат с очень длинным и прочным тросом. После чего в противоположную сторону «выдвигают» что-то вроде противовеса, который необходим для сохранения центра масс на уровне геостационарной орбиты. Трос закрепляют и на месте, где он фиксируется, строят специальную станцию с подъемником, через которую и будут по тросу на орбиту отправлять полезную нагрузку. Доставка происходит без помощи ракет.
До сих пор ученые так и не реализовали этот проект, пока нет всех необходимых технологий и материалов. Например, еще не создали материал, который бы смог удерживать тяжелый груз на высоте около 40 000 км (предполагается, что именно на такой высоте космические лифты и должны будут работать).
Правда, японская компания Obayashi уже пытается создать высокопрочный трос. В качестве основы инженеры предлагают использовать углеродные нанотрубки, они в десятки раз прочнее стали. Однако проблема в том, что общая длина таких нанотрубок сегодня ограничена и не превышает 3 см.
Идея российского инженера
Инженер из России Александр Андреев предложил своего рода улучшенную версию Space Elevator, которую он назвал просто “космический обруч”. По словам специалиста, главное преимущество его проекта перед космическим лифтом в том, что сегодня у людей есть все необходимые технологии, позволяющие претворить в жизнь эту идею.
«Масштабы технических задач, которые стоят при создании моего орбитального обруча, выходят за рамки возможностей любой частной компании и даже за рамки возможностей отдельной страны. Теоретически этот проект можно реализовать уже сейчас, правда, усилиями человечества в целом», — пишет в письме Андреев.
Итак, что же из себя представляет космический обруч Андреева?
Космический обруч — это орбитальная станция, состоящую из несущего корпуса в виде кольца, которое опоясывает планету по экватору. На экваторе сила тяжести меньше, чем на полюсах. Внутри корпуса расположится кольцевой тоннель, в его центре будет находиться специальный стержень — массивный сердечник.
На стенах тоннеля закрепят систему магнитов, которые создадут внутри поле, позволяющее удерживать сердечник на весу, при этом не давая ему соприкоснуться со стенами. Вдоль корпуса закрепят специальные электромагниты, необходимые для разгона стержня. Сердечник начнет вращаться за счет магнитов, когда скорость вращения достигнет чуть больше 7000 м/с, он как бы «зависнет» внутри тоннеля, и будет удерживаться в пространстве центробежной силой.
После скорость сердечника постепенно нужно будет разогнать до первой космической, между 7700-7900 м/с. Это необходимо сделать, чтобы создать подъемную силу, которая будет действовать на всю станцию. Эта сила уравновесит силу тяжести корпуса, и станция начнет подниматься с поверхности Земли.
И сердечник, и корпус станции нужно построить так, чтобы их длину можно было увеличивать в небольших пределах, при этом не “напрягая” всю конструкцию. Это необходимая деталь, она нужна для того, чтобы станция вышла на низкую околоземную орбиту.
«Поскольку будет существовать разница давлений внутри и снаружи станции, а в тоннелях обруча атмосфера будет разрежена, материалы не смогут расширяться без посторонней помощи, поэтому нужно установить на станцию специальную гидравлическую систему. Эта система будет “насильственно” раздвигать корпус, когда необходимо», — объясняет Андреев.
По словам инженера, его станцию должны развернуть выше линии Кармана (условная граница между атмосферой Земли и космосом), над экватором, на высоте от 130 до 160 км от поверхности планеты. Почему именно на такой высоте? Во-первых, она находится ниже орбит искусственных спутников, а значит, столкновения обруча с ними исключены. Во-вторых, на такой высоте практически не летает космический мусор.
«На высоте 130-160 км от потоков ионов защитит магнитосфера Земли. Правда, от ультрафиолетового излучения защиты не будет, так как озоновый слой останется далеко внизу. Нужно это будет учитывать, например, если организовывать там постоянное поселение, то есть делать станцию обитаемой», — пишет российский инженер.
Александр Андреев предлагает удерживать станцию на необходимой высоте кевларовыми тросами, которые, по мнению специалиста, достаточно прочны и легко справятся с этой задачей. Такие тросы обычно используют в автомобильных лебедках.
«Когда сердечник наберет необходимую скорость, которой будет достаточно, чтобы создаваемая им подъемная сила компенсировала силу тяжести всей конструкции, космический обруч больше не будет оказывать давление на удерживающие его опоры. К этому моменту на корпусе уже должны быть закреплены фиксирующие канаты. Дальше сердечник разгонится еще больше, и обруч начнет вертикально подниматься, удерживать на опорах станцию придется креплениями. При определенной подъемной силе всю конструкцию одновременно нужно будет снять с креплений и удерживать дальше исключительно на тросах», — объясняет Андреев.
Когда станцию выведут на нужную орбиту, обруч можно будет начать использовать в работе. Инженер пишет, что с корпуса станции спустят кевларовые канаты и по ним можно будет доставлять полезную нагрузку. Однако, по расчетам Андреева, грузоподъемность сооружения не безгранична, она определяется скоростью вращения сердечника и соотношением массы сердечника и корпуса со всем доставленным туда грузом. Скорость стержня постепенно можно наращивать, таким образом увеличивая грузоподъемность космического обруча.
Где Андреев предлагает собирать космический обруч
Инженер предлагает собирать обруч на территории островов и континентов, через которые проходит линия экватора. Длина корпуса станции должна быть равной длине экватора (корпус станции ведь будет опоясывать планету) — 40 076 км.
«Сделать станцию сплошной, выдержав на всем протяжении радиус кривизны равным радиусу Земли, не получится. Но, думаю, что отклонения допустимы. Важно, чтобы эти отклонения были сведены к минимуму. Можно зону строительства обруча расположить на широте 1° в северном полушарии. При этом особо ничего не меняется, зато это даст огромные топологические выгоды. Например, через горный массив Анды строительство пройдет по менее высоким точкам, а озеро Виктория в Уганде и устье реки Амазонка в Бразилии останутся южнее», — пишет Андреев.
Инженер объясняет, что создавать конструкцию придется на некоторой высоте над поверхностью на опорах, чтобы никому не мешать пересекать экватор.
«На воде легче всего выдержать требуемую кривизну поверхности. На мелководье на дне можно установить опоры, то же самое можно делать при пересечении с озерами. Там, где глубина более 150-200 метров, собирать конструкцию лучше всего будет на поверхности, на плавучих опорах, а после сборки опускать корпус станции на глубину 15-20 метров и на этой глубине обеспечить ей стабильную плавучесть. Так удастся избежать сложностей с выдерживанием линии экватора и наибольшей возможной кривизны во время непогоды».
Главный недостаток космического обруча
Серьезный недостаток космического обруча Андреева в сравнении с космическим лифтом — высота станции российского инженера не позволит ракетам и другим аппаратам, стартующим с “площадки” обруча, достичь первой космической скорости и, следовательно, выйти на орбиту вокруг Земли. Для того, чтобы преодолеть земную силу притяжения с обруча, ракете нужно будет дополнительно набрать чуть более 10 000 м/с. С космического лифта потребуется набрать дополнительно всего чуть более 1200 м/с, так как он будет находиться на высоте значительно большей, чем обруч Андреева.
«Для запуска межпланетных аппаратов, можно будет построить ускоритель на электромагнитах вдоль всего корпуса моей станции. Тогда появится возможность разгона аппаратов до нужной скорости, используя электроэнергию, а не топливо, что, несомненно, экономичнее. Но это уже другой проект», — пишет Андреев.
Post Scriptum
Российский инженер считает, что его сооружение позволит наладить транспортировку грузов в ближний космос без ракет. Экономическая выгода такого способа отправки грузов на околоземную орбиту во много раз превышает традиционную, кроме того, является экологически чистой. Инженер полагает, что его обруч подтолкнет к развитию дешевого космического туризма и может стать первым и самым важной шагом на пути колонизации Солнечной системы.
«На эту станцию можно будет, например, отправлять космонавтов или роботов-сборщиков, поставлять детали для сборки малых спутников и даже исследовательских зондов. Кроме того, на внешней стороне корпуса обруча можно будет разместить научные приборы и солнечные панели», — заключает Андреев.
Небольшое пояснение
Проект Александра Андреева очень напоминает проект советского ученого Анатолия Юницкого «Общепланетное транспортное средство» (ОТС), который был опубликован в 1982 году в журналах «Изобретатель и рационализатор» и «Техника — молодежи». ОТС представляет собой гигантское кольцо, расположенное по экватору Земли и состоящее из отдельных сегментов, соединенных гидравлическими цилиндрами. Кольцо Андреева — это видоизменненый проект Юницкого, доработка российского инженера — использование тросов. Некоторые специалисты считают, что в данном случае тросы утяжелят кольцо и сделают проект более дорогостоящим.